Sinds kort beschikt de TU Delft over een gloednieuw hogedruklab voor de ontwikkeling van industriële katalysatoren. Grootschalig hergebruik van CO2 vormt een speerpunt. Tijdens de opening bleek eens te meer dat onder druk het nodige vloeibaar wordt, letterlijk en figuurlijk.

Arjen Dijkgraaf

‘Normaal duurt het zeker twintig, dertig jaar om een katalytisch proces van het laboratorium naar de industrie te krijgen. Dat moet sneller’, stelt Atsushi Urakawa, sinds kort hoogleraar industriële katalyse aan de TU Delft. Met name denkt hij dan aan processen die CO2 omzetten in nuttige producten zoals methanol. Gezien het tempo waarmee de mensheid momenteel CO2 de atmosfeer in pompt, is daar enige haast bij.

Zo’n katalysator is gedefinieerd als een stof die een reactie versnelt, zonder er uiteindelijk zelf door te veranderen. Urakawa schat dat negentig procent van alle chemische producten er op de een of andere manier afhankelijk van is. Bij industriële processen gaat het vrijwel altijd om een ‘heterogene’ katalysator: een vast oppervlak waarop grondstoffen landen om met elkaar te reageren. Zo’n oppervlak kan van alles zijn: puur metaal (al dan niet verkleind tot nanodeeltjes), actieve koolstof, een zeoliet of een ander metaaloxide, of combinaties daarvan. Alleen al bij Shell Pernis zijn een dertigtal types in gebruik, vertelt Peter van den Brink, senior principal science expert catalysis van Shell Global Solutions. ‘En dan bedoel ik ook grondig verschillende types. Bij Pearl GTL in Qatar zijn het er een stuk of dertien, in Moerdijk vijftien’.

In Urakawa’s woorden zijn het echter vaak nog magic stones. Je weet dat ze iets doen, magic happens, maar niet hoe of waarom. Het betreft veelal reacties tussen atomen die elkaar ergens diep in een nanoporie tegenkomen op een geschikte onregelmatigheid in het katalysatoroppervlak. Zie dat maar eens in beeld te krijgen. ‘En dan kun je zeggen: nou én?’, vervolgt Urakawa. ‘Maar het opschalen van zo’n zwarte doos van het lab naar industrieel formaat is een ramp. Het moet grotendeels via trial and error, en dat kost veel tijd en geld.’

Operando

Volgens Urakawa en veel van zijn vakgenoten komt ‘rationeel’ katalysatorontwerp, waarbij je precies weet wat je doet en de probeerfase deels kunt overslaan, steeds dichterbij. In hoog tempo worden nieuwe gereedschappen ontwikkeld. Zo zijn er nu computersimulaties voor alle lengteschalen die bij industriële katalyse een rol spelen, van de picometerschaal van atomen tot de meters waarin je de afmetingen van een industriële reactor uitdrukt. Als je eenmaal vermoedt wat er in zo’n reactor gebeurt, kun je op zijn minst narekenen of het in theorie kan kloppen.

Maar, benadrukt Urakawa, een katalysator is in de praktijk een levend ding dat tijdens een reactie volop wisselt tussen verschillende chemische toestanden. Je weet pas wat je moet simuleren als je de zwarte doos openmaakt en het inwendige waarneemt. Met de nieuwste microscopische technieken is de atomaire schaal al bijna scherp in beeld te krijgen, en testreactoren met doorzichtige vensters laten je met geavanceerde spectroscopie in real-time volgen welke verbindingen ontstaan in een katalysatorbed. De Delftse Catalysis Engineering-groep probeert daarbij al jaren te meten onder omstandigheden die zo dicht mogelijk tegen de industriële praktijk aan zitten, in vakjargon ‘operando’.

De uitdaging zit dan vooral in het feit dat drukken van een paar honderd bar heel gewoon zijn bij industriële processen. Het vraagt relatief dure procesinstallaties en veel aandacht voor veiligheid, maar voor menige katalytische reactie is de druk essentieel en wanneer je met gassen werkt, scheelt het sowieso heel veel reactorvolume. ‘Daardoor werk je efficiënter’, legt Van den Brink uit. ‘Druk opbouwen kost niet zo heel veel energie.’ De urgentie om over te stappen op processen die bij lagere druk werken, is wat hem betreft dan ook niet zo groot.

Hoge druk

Voor de meeste laboratoria is alles boven een paar bar echter wél een probleem. Niet voor niets liet de TU Delft Urakawa’s inauguratie samenvallen met de officiële opening van het Industrial Catalysis Lab. Dit gloednieuwe hogedruklab vult de nieuwbouw aan van de faculteit Technische Natuurwetenschappen, die in 2016 werd opgeleverd met gasdistributieleidingen waar slechts tien bar uit komt. In het nieuwe katalyselab is dat opgetrokken naar honderd bar, vertelt research technician Harrie Jansma. ‘Met boosterpompen kun je nog hoger gaan, mits er een goede risico-analyse aan voorafgaat. Het maximum? Voorlopig zo’n 450 bar.’

tekst gaat verder onder de afbeelding

Er zijn acht hogedrukruimtes, opgetrokken uit gewapend beton met driemaal zo veel ijzer als normaal.

Een rondleiding door het lab, door de ingenieursbureaus Tebodin en Van Dorp deels gebaseerd op een eerder project aan de Universiteit Twente, maakt duidelijk wat dat allemaal met zich meebrengt. Jansma raakt niet uitgepraat over de veiligheidsmaatregelen. Er zijn acht hogedrukruimtes, opgetrokken uit gewapend beton met driemaal zo veel ijzer als normaal. Zelfs als er een kilogram TNT in ontploft, zouden mensen buiten de bunker geen risico moeten lopen. Je komt er binnen via dikke stalen deuren met zware grendels.

Mocht de opening te klein zijn voor je apparatuur, dan kun je eventueel met een hijskraan een betonnen plafondplaat verwijderen. Uiteraard wordt elke proefopstelling van tevoren gecontroleerd op lekken, en detectoren voor componenten als CO2, CO, H2 en H2S waken over de experimenten. Krachtige, dubbel uitgevoerde ventilatoren verversen veertig keer per uur de lucht en blazen eventueel lekkend gas zo snel mogelijk naar buiten. En het is sowieso niet de bedoeling dat er mensen in zo’n ruimte zijn tijdens een hogedrukexperiment: alles wordt op afstand aangestuurd.

Het betekent dat je een proefopstelling daar niet zomaar voor een paar dagen neerzet. De hogedrukruimtes zijn alle acht voor langere tijd volgeboekt. Er staat apparatuur die Urakawa heeft meegebracht uit zijn vorige lab in Catalonië, maar bijvoorbeeld ook reactorsystemen om te experimenteren met dry reforming en shiftreacties, en een voormalige Shell-opstelling waarmee start-up Black Bear Carbon een deel van zijn recyclingproces voor autobanden optimaliseert.

Water en olie

Wat je met zulke apparatuur allemaal kunt bereiken? Van den Brink zegt het initiatief van de TU Delft toe te juichen: ‘Dit soort apparatuur maakt relevante innovatie mogelijk bij bestaande én toekomstige katalytische toepassingen.’ Over die laatste mag hij helaas nog niets melden. Tijdens de lezing waarmee hij de opening opluistert, noemt hij vooral oude successen zoals de industriële omzetting van etheen in etheenoxide waarbij verbeterde katalysatoren het gehalte aan ongewenste nevenproducten geleidelijk hebben teruggebracht van dertig naar tien procent.

Origineler is het plan van Robbie Venderbosch, senior engineer bij BTG Biomass Technology Group. Dit Twentse bedrijf is vooral bekend van zijn pyrolyseproces dat biomassa omzet in een donkerbruine vloeistof door haar te verwarmen tot vijfhonderd graden Celsius zonder dat er zuurstof bij kan komen. Die ‘pyrolyse-olie’ is veel gemakkelijker te vervoeren dan een bos boomtakken. BTG werkt er al sinds de jaren tachtig aan, wat in 2015 resulteerde in de ‘Empyro’-demonstratiefabriek bij Hengelo.

Biobrandstof

Katalyse speelt geen rol bij de pyrolyse, maar mogelijk wel bij het vervolg daarop. De olie verstoken in een stoomketel, zoals nu nog gebeurt, vindt Venderbosch eigenlijk zonde. Zijn droom is er een deel van de aardolie mee te vervangen, die in de FCC-krakers van olieraffinaderijen wordt omgezet in benzine. Hij vertelt dat hij dat idee al in 1998 voorlegde aan iemand van Shell Pernis, die meteen uitlegde dat het niet kan. Chemisch gezien is pyrolyse-olie geen olie maar een soort emulsie van suikers in water. Meng één procent door je aardolie en de FCC merkt het niet, maar bij een paar procent meer kun je moeilijkheden verwachten.

Vaak wordt dat geweten aan de overmaat zuurstofatomen in suikermoleculen. Maar Venderbosch noemt dat wat kort door de bocht: ‘Methanol bestaat tenslotte ook voor de helft uit zuurstof.’ Het probleem schuilt in de manier waarop de zuurstof zit ingebouwd. Van de zes O’s in een glucosemolecuul is er één te reactief. Hydrogeneer je die met waterstof, waardoor de glucose formeel verandert in sorbitol, dan krijg je ‘gestabiliseerde’ pyrolyse-olie waarvan de FCC veel hogere percentages verdraagt. De zuurstof er helemaal uit halen, kost veel meer moeite, en lijkt pas zinvol als je pure biobrandstof wilt maken zonder aardolie.’

Op kleine schaal wordt deze hydrogenering al langer toegepast om te voldoen aan de vraag naar sorbitol. Ze werkt katalytisch, en bij voorkeur bij tweehonderd bar omdat waterstof in pyrolyse-olie nogal moeizaam oplost. Er zijn speciale katalysatoren voor ontwikkeld, merknaam Picula, gebaseerd op nikkel met een beetje palladium.

Butanol

Voor een nog originelere invalshoek zorgt Guenter Schmid. Voor de gelegenheid omschrijft hij zijn werkgever Siemens als een elektronenmanagementbedrijf dat chemische reacties beschouwt als energieopslag. Samen met Evonik, wél een erkend chemieconcern, werkt hij aan een proces dat met duurzame elektriciteit en een katalysator CO2 elektrochemisch omzet in CO. Dat voer je aan twee soorten Clostridium-bacteriën. De een maakt er azijnzuur van, dat door de ander verder wordt omgezet in butanol. Van die laatste alcohol is al langer bekend dat ze qua fysisch/chemische eigenschappen veel dichter bij benzine zit dan de bio-ethanol die men er nu doorheen mengt. Kun je biobutanol eenmaal in grote hoeveelheden produceren, dan wordt een deel van die ethanol vanzelf uit de markt gedrukt. In de aanloopperiode, stelt Schmid, kun je je butanol verkopen als oplosmiddel.

tekst gaat verder onder de afbeelding

Het nieuwe lab is door de ingenieursbureaus Tebodin en Van Dorp deels gebaseerd op een eerder project aan de Universiteit Twente.

Hoge druk komt er niet eens aan te pas. En voor elektrochemische processen gelden andere economische regels dan voor de petrochemie waar groter altijd beter is. Elektrodes en membranen kun je niet oneindig uitvergroten. Opschalen komt snel neer op het naast elkaar zetten van meerdere kleine reactoren. Dan kun je besparen op de logistiek door ze te verspreiden over verschillende locaties waar CO2 beschikbaar en butanol nodig is.

In stilte sleutelen Siemens en Evonik al langer aan dit ‘Rheticus’-project. In oktober maakten ze bekend dat zowel de elektrochemie als de fermentatie nu functioneren in hun respectievelijke labs. Dit voorjaar willen ze in het Duitse Marl de eerste proeffabriek opstarten.

Businesscase

Het kan dus inderdaad in minder dan dertig jaar. Maar dat ligt slechts gedeeltelijk aan wetenschappelijke vooruitgang. Urakawa’s voorganger Freek Kapteijn wijst erop dat het over heel andere reacties gaat dan in het verleden. De urgentie is nu gewoon veel hoger. Dat laatste wordt bevestigd door Kapteijns voorganger Jacob Moulijn. Er bestonden al ‘duurzame’ katalytische processen toen hij zelf met emeritaat ging, in 2007. ‘En je kunt veel katalytische technieken uit de petrochemie hergebruiken. Maar er was nooit een businesscase voor.’ Wat meer druk kan dus inderdaad geen kwaad.